0 引 言
長(zhǎng)期以來，對(duì)生物組織電性質(zhì)的研究一直是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。生物組織的電學(xué)性質(zhì)是人們認(rèn)識(shí)生命物質(zhì)的一個(gè)重要方面,。
生命物質(zhì)電阻抗作為一個(gè)重要的電參數(shù),，在電性質(zhì)研究中占有很重要的地位，生物組織生理病理特性可以通過電阻抗來反映,。許多研究表明,，生物組織電特性的頻率依賴性很強(qiáng)，因此,，對(duì)生物組織電特性的研究常采用多頻電阻抗法,。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過研究生物組織的阻抗特性預(yù)測(cè)早期疾病,、治療過程中的監(jiān)護(hù),、區(qū)分正常組織和病變組織等。在這些研究報(bào)道中發(fā)現(xiàn),，對(duì)相關(guān)生物組織的阻抗特性主要使用現(xiàn)成的阻抗分析儀測(cè)量,，這些儀器均非針對(duì)生物組織而設(shè)計(jì)，因此存在對(duì)測(cè)量對(duì)象造成破壞,、非實(shí)時(shí),、價(jià)格昂貴等問題。同時(shí)對(duì)生物組織頻譜測(cè)量系統(tǒng)的研究也在逐漸展開,，并有少數(shù)的國(guó)外相關(guān)報(bào)道,。因此，在這些研究的基礎(chǔ)上,，總結(jié)并設(shè)計(jì)一種先進(jìn),、優(yōu)化、方便快捷的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng),。該系統(tǒng)能全自動(dòng),、在很短時(shí)間內(nèi)完成從1 Hz～10 MHz的逐頻掃描，并記錄和顯示各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值和相位,。同時(shí),，系統(tǒng)可以和PC機(jī)相關(guān)聯(lián)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性,。
1 測(cè)量原理
生物組織在不同的頻率下,，具有不同的阻抗特性。對(duì)生物組織阻抗特性測(cè)量采用兩電極法,，電路由電極和組織組成的電極系統(tǒng)Zx及無感容的標(biāo)準(zhǔn)純電阻Rs串聯(lián)組成,。由于信號(hào)源產(chǎn)生的電壓只有毫伏，檢測(cè)到的Zx和Rs兩端電壓通過同比例放大后的電壓為UZ和UR,。設(shè)信號(hào)源輸出電壓Ui=Umsin(ωt),。同時(shí)信號(hào)源Ui,，UZ和UR之間的關(guān)系滿足平行四邊形法則，通過Zx和Rs的電流I,，UZ和UR可表示為：
通過式(2)和式(3),，可以計(jì)算得式(4)：
因此，通過測(cè)量和計(jì)算就可以獲得生物組織的幅頻和相頻特性,。
2 生物電阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)總體
生物阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)原理如圖1所示,。該系統(tǒng)主要包括電源模塊、實(shí)驗(yàn)平臺(tái),、信號(hào)檢測(cè),、MCU、液晶顯示,、鍵盤,、SD卡存儲(chǔ)器、USB接口等,。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由測(cè)量對(duì)象和電極組成的電極系統(tǒng),，其中電極采用自制的共面電極，如圖2所示,。首先在合適的測(cè)量環(huán)境下,，準(zhǔn)備好測(cè)量對(duì)象，啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),。單片機(jī)通過控制DDS芯片產(chǎn)生由低頻到高頻的正弦信號(hào),，作用于電極系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理后通過單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換,，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于單片機(jī)內(nèi),。單片機(jī)通過對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，將不同頻率時(shí)|Zx|和θ(ω)的值通過液晶對(duì)應(yīng)顯示,，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中,。PC機(jī)可以通過USB接口直接讀取SD卡中的信息并分析。
2. 2 信號(hào)源部分
信號(hào)發(fā)生器是系統(tǒng)的重要組成部分,，要保證輸出的正弦波信號(hào)失真小,，幅值穩(wěn)定且具有幅值、相位和頻率可調(diào)的功能,。該系統(tǒng)采用直接頻率合成(Direct DigitalSynthesizer,，DDS)技術(shù)，選用AD9852芯片來產(chǎn)生電壓信號(hào),。AD9852是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的新型直接數(shù)字頻率合成器,，具有頻率轉(zhuǎn)化速度快、頻譜純度高,、工作溫度范圍寬,、集成度高等特點(diǎn),。工作電壓為3．3 V,，片內(nèi)有4～20倍可編程時(shí)鐘乘法電路,，系統(tǒng)最高時(shí)鐘可達(dá)300 MHz，輸出頻率可達(dá)120 MHz,，頻率轉(zhuǎn)化速度小于1μs,。內(nèi)部有12位D／A轉(zhuǎn)化器、48位可編程頻率寄存器和14位可編程相位寄存器,，具有12位振幅調(diào)諧功能,，能產(chǎn)生頻率、相位,、幅度可編程控制的高穩(wěn)定模擬信號(hào),，完全能滿足實(shí)驗(yàn)要求。信號(hào)源的電路原理框圖如圖3所示,。
信號(hào)源的時(shí)鐘采用外接一個(gè)20 MHz的有源晶振,，通過內(nèi)部時(shí)鐘乘法器倍頻得到系統(tǒng)時(shí)鐘。由于DDS芯片直接輸出的信號(hào)中帶有內(nèi)部時(shí)鐘的干擾成份,，為了抑制雜散,，在AD9852輸出端要加低通濾波器。
AD9852的最大輸出幅度由5,，6腳的電阻器RSET決定,，RSET=39．93／IOUT。AD9852輸出電流范圍是5～20 mA,。在輸出典型值為10 mA時(shí),，可提供最好的SFD(Spurious Free Dynamic range)性能，因此選擇RSET=3．9 kΩ,。而數(shù)模變換器的輸出電壓幅度為-O．5～+1 V,，輸出信號(hào)功率不能直接滿足要求，所以還要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大,。
2．3 測(cè)量部分
測(cè)量電路如圖4所示,。
從理論分析可知，選用芯片AD8302可以得到從電極輸出的兩路信號(hào)的幅度比和相位差,。AD8302是美Analog Devices公司生產(chǎn)的專門用于幅度和相位測(cè)量的首款單片集成電路,，它能同時(shí)測(cè)量從低頻到2．7 GHz頻率范圍內(nèi)兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。它內(nèi)部含兩個(gè)精密匹配寬帶對(duì)數(shù)檢波器,、一個(gè)相位檢波器,、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等,。該器件將精密匹配的兩個(gè)對(duì)數(shù)檢波器集成在一塊芯片上,，因而可將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度,。
AD8302的幅度和相位測(cè)量原理主要基于對(duì)數(shù)放大器的對(duì)數(shù)壓縮功能，其一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：VOUT=VSLPlog(VIN／Vz)其中VIN為輸人電壓,，Vz為截距,，VSLP為斜率。AD8302正是利用上述對(duì)數(shù)壓縮原理,，通過精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輸入通道信號(hào)的幅度和相位的測(cè)量,，其方程式如下：
式中：VINA和VINB分別為A，B兩通道的輸入信號(hào)幅度,；φ(VINA)和φ(VINB)分別為A,，B兩通道的輸入信號(hào)相位；VCP為參考電壓VCP=900 mV,；RFISP=30 mV／dB,；RFIφ=10 mV／(°)。
因此,，兩路電壓信號(hào)經(jīng)過AD8302輸出增益和相位電壓值,；再通過C8051F340單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC轉(zhuǎn)換后，取到增益和相位具體參數(shù),，計(jì)算后可直接得到被測(cè)的阻抗,。
2．4 其他部分
在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中除了信號(hào)源和檢測(cè)部分，鍵盤,、顯示,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分也是必不可少的。鍵盤主要用來設(shè)置信號(hào)源參數(shù),，包括信號(hào)的起止頻率,、頻率步進(jìn)、開始和復(fù)位等,。鍵盤采用3×2矩陣式結(jié)構(gòu),。
顯示部分選用EDM12864B型圖形點(diǎn)陣式LCD液晶顯示模塊，主要用來顯示信號(hào)參數(shù)的具體設(shè)置信息和輸出狀態(tài),，如當(dāng)前輸出信號(hào)的頻率和幅值．測(cè)量對(duì)象的頻譜特性參數(shù)值(幅值和相位)等,。
外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用SD卡。這種模式方便快捷,，當(dāng)測(cè)量結(jié)束后,，將測(cè)量數(shù)據(jù)存入SD卡中；然后取下SD卡,，插入到讀卡器中,，可以直接在計(jì)算機(jī)上讀出數(shù)據(jù)文件并處理數(shù)據(jù)。另外,，在該系統(tǒng)上還設(shè)計(jì)了USB接口,。當(dāng)連接USB與計(jì)算機(jī),，通過程序的控制，可以實(shí)現(xiàn)直接讀取SD卡中的數(shù)據(jù)文件,。
3 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完成單片機(jī)以及各外部芯片初始化,，包括單片機(jī)時(shí)鐘，A／D初始化,，AD9852初始化,，AD8302初始化，以及鍵盤,、液晶顯示、USB,、SD卡初始化等,。初始化完成后，向DDS芯片AD9852寫入控制字,，控制并輸出信號(hào),；向幅度相位測(cè)試芯片AD8032寫入控制字，控制測(cè)量輸出幅度差,、頻率比的輸出模式,。另外完成檢測(cè)按鍵狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示,，存儲(chǔ)數(shù)據(jù),，查詢USB等。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示,。
對(duì)AD9852的驅(qū)動(dòng)和控制是系統(tǒng)軟件設(shè)置的重點(diǎn)和難點(diǎn),。對(duì)AD9852的初始化，首先,，要設(shè)置工作模式,。該設(shè)計(jì)采用單調(diào)模式(Single-Tone)，要求輸出1 Hz～10 MHz不同頻率的正弦信號(hào),。首先計(jì)算每個(gè)需要的頻率點(diǎn)的頻率控制字的值,，頻率控制字的值由如下等式?jīng)Q定：FTW=輸出頻率×248／系統(tǒng)時(shí)鐘頻率；然后,，在內(nèi)存中輸入對(duì)應(yīng)頻率表值,，通過編程獲取對(duì)應(yīng)的頻率值并送到DDS的頻率控制字中，控制DDS輸出頻率,，在一輪檢測(cè)完成以后再送出下一個(gè)頻率值,。另外，在程序設(shè)計(jì)時(shí)要特別考慮程序的時(shí)序設(shè)計(jì),。
檢測(cè)部分主要是一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換過程,。ADC是單片機(jī)自帶的模塊,，程序采用中斷的方式讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后,，讀取幅度比和相位差值,，通過計(jì)算，直接得到被測(cè)組織的阻抗,。
4 結(jié) 語(yǔ)
這里所設(shè)計(jì)的生物組織阻抗頻譜測(cè)試儀能快速,、準(zhǔn)確、自動(dòng)完成1 Hz～10 MHz范圍的生物組織電阻抗(頻率特性)測(cè)量,。儀器結(jié)構(gòu)完整,、簡(jiǎn)單、成本低,。DDS芯片的使用,，讓信號(hào)的質(zhì)量得到了保證，而AD8302芯片極大的簡(jiǎn)化了幅度和相位測(cè)量電路,，并且提高了測(cè)量精度,。該系統(tǒng)能很好地完成生物組織電阻抗頻譜特性的測(cè)量，極大地改善,、拓展了相關(guān)測(cè)量,，對(duì)相關(guān)研究具有重要意義。